植入式醫療器材：類型、材料和製造

植入式醫療器材是指透過手術或臨床操作植入人體內部或體表，用於恢復功能、提供治療、監測生理指標或提供結構支撐的裝置。美國食品藥物管理局 (FDA) 將大多數植入式醫療器材歸類為 III 類——風險最高類別——需要獲得上市前批准 (PMA) 以及獨立的臨床安全性和有效性證據。

植入式醫療器材種類繁多，從幾百美元的鈦合金骨科螺絲到用於治療慢性疼痛的全可程式神經刺激器，應有盡有。但它們都面臨嚴格的監管和工程要求——因為人體內部的故障難以修復，後果可能不堪設想。

本指南涵蓋主要設備類型、如何選擇和評估材料的生物相容性、製造流程和製程驗證，以及製造商從概念到市場批准必須遵循的監管途徑。

什麼是植入式醫療器材？

植入式裝置通常是在手術過程中植入體內，用於執行人體本身無法完成的功能，或矯正僅靠外部裝置無法控制的疾病。植入物可以永久留在體內，也可以隨著時間的推移被人體吸收，或在規定的使用壽命結束後取出。

組織接觸時間是其主要特徵。 ISO 10993-1:2025 將植入式醫療器材定義為與骨骼、牙本質或組織永久接觸（>30 天）的器材－這種接觸時間類別會觸發最全面的生物安全性評估要求。 ^[1]

主動式植體與被動式植體

被動式植體 無需內置動力即可提供結構支撐、容納或機械功能的植入物。髖關節置換組件、脊椎融合器、血管支架和子宮內避孕器均屬於被動植入物。其設計重點在於機械強度、耐磨性、長期化學穩定性以及界面處的骨整合或組織相容性。

主動式植入式醫療器材（AIMD） 心臟起搏器、植入式心臟復律去顫器 (ICD)、左心室輔助裝置 (LVAD) 和脊髓刺激器等植入式醫療器材 (AIMD) 依靠儲存的能量或外部電源來感知訊號、提供電刺激或泵送液體。它們的設計必須兼顧電池壽命、遙測可靠性、電子元件的密封封裝和熱安全性。

FDA器械分類：I類、II類及III類

美國食品藥物管理局（FDA）將醫療器材分為三個風險等級。分類決定了監管路徑、臨床證據要求和上市後義務。

	I類	II類	III級
風險等級	低風險	中高風險	高風險－維持生命或輔助生命
範例設備	牙線、彈性繃帶、非動力手術器械	電動輪椅、輸液幫浦、手術鋪巾	心臟節律器、植入式心臟復律去顫器、左心室輔助裝置、脊髓刺激器、深部腦部刺激器
FDA審查途徑	僅限一般控制措施－部分措施可免於上市前審查	510(k) 上市前通知（與先行產品實質等效）	上市前批准 (PMA) — 獨立證明其安全性和有效性
需要臨床數據	大多數情況下不需要	如果存在強謂詞，則通常不需要。	大多數情況下需要提供IDE（研究用器械豁免）臨床試驗數據
品質管理系統要求	21 CFR 第 820 部分（QMSR，2026 年 2 月生效）	21 CFR 第 820 部分（QMSR）	FDA 建議 PMA 申請時採用 21 CFR 第 820 部分（QMSR）+ ISO 13485 標準。
上市後稅	MDR報告、更正、移除	MDR報告、更正、移除、定期報告	MDR報告、PMA補充申請（用於設計變更）、上市後研究

大多數植入式裝置——心臟節律器、脊髓植入物、人工耳蝸系統、神經刺激器——都被歸類為 III 類。這意味著製造商必須提交上市前批准 (PMA) 申請，並附上臨床試驗數據，這些數據通常是在 FDA 批准的研究用醫療器材豁免 (IDE) 下收集的。 ^[2]

植入式醫療器材的類型

植入物涵蓋廣泛的解剖位置、臨床功能和工程結構。以下類別從製造和監管角度代表了主要的植入物系列。

心律管理設備

起搏器 透過植入心肌組織的導線定時傳遞電脈衝，以維持心律和心率。長期植入式心臟節律器（設計使用壽命為7-10年以上）需要耐用的鋰電池、牢固的導線固定裝置以及用於遠端追蹤的無線遙測功能。導線斷裂和絕緣層破損是主要的長期故障模式。

植入式心臟復律去顫器（ICD） 該裝置既具備起搏功能，又能檢測並終止危及生命的心律不整（室性心動過速、室顫），並以高壓電擊進行終止。裝置外殼（通常由鈦製成）必須具備電磁屏蔽、防止體液滲漏的密封性能以及抗衝擊能力。

左心室輔助裝置 (LVAD) 左心室輔助裝置（LVAD）是一種透過手術植入的泵，它將血液從左心室輸送到主動脈，部分或完全取代左心室的泵血功能。 LVAD既可以作為心臟移植的過渡治療，也可以——越來越多——作為不適合心臟移植患者的最終治療方案。它們需要便攜式外部控制器、冗餘警報系統以及裝置穿出體外的可靠驅動線密封。

肌肉骨骼和骨科植入物

全關節置換術—包括髖關節、膝關節、肩關節和踝關節置換術—是全球產量最高的植入式醫療器材之一。它們將關節面與固定部件連接起來，而同一組件對關節面和固定部件的材料性能有不同的要求。

例如，髖關節置換術中的股骨頭需要極高的硬度和關節面光滑度（陶瓷或鈷鉻合金，表面粗糙度 Ra < 0.02 µm），而股骨柄則需要具備骨結合能力或透過多孔塗層結構實現無骨水泥固定。脊椎植入物——椎間融合器、椎弓根螺釘、椎弓根螺釘——優先考慮的是負荷分佈和骨整合，同時避免在 CT 或 MRI 成像中產生偽影。

神經和感覺植入物

人工耳蝸植入 將聲音轉換為電訊號，並透過位於耳蝸內的電極陣列傳遞。外部處理器與手術植入的接收器-刺激器進行無線通訊。材料要求包括與核磁共振成像相容、鈦合金密封外殼的長期完整性以及鉑金電極陣列的耐腐蝕性。

深部腦部刺激器（DBS） 脊髓刺激器透過定向電刺激來調節神經活動，用於治療帕金森氏症、特發性震顫和慢性疼痛等疾病。導線放置的精確度至關重要——電極相對於目標解剖結構的位置決定了治療效果和副作用情況。

人工水晶體（IOL） 白內障摘除術後，人工水晶體用於取代人體自然水晶體。人工水晶體材料為親水性或疏水性丙烯酸酯，需具備卓越的光學透明度、紫外線過濾功能以及長期屈光穩定性。以全球植入數量計算，人工水晶體是植入式醫療器材中銷售量最高的之一。

血管和體液管理植入物

支架——包括冠狀動脈支架、週邊血管支架和膽道支架——為維持血管或導管的通暢提供支撐。藥物洗脫支架（DES）包含聚合物塗層和治療藥物，可在數週至數月內釋放藥物以抑制再狹窄。由於其結構、藥物傳遞和生物相容性方面的要求，DES 成為 III 類醫療器材中監管評估要求最高的器材之一。

植入式血管通路端口 皮下腔室與中心靜脈導管相連，無需反覆靜脈穿刺即可提供長期化療或腸外營養輸注。它們需要具備抗感染性、針頭隔膜耐久性（額定可承受 1,000-2,000 次穿刺）以及與肝素封管液相容等特性。

藥物輸送植入物

植入式藥物傳輸系統能夠達到口服或註射藥物無法可靠維持的持續治療濃度。滲透泵可以以納升/小時的流速輸送生物製劑或鎮痛藥。皮下植入物－例如荷爾蒙避孕棒－可以在數年內持續釋放可控劑量的活性藥物成分。

植入式醫療器材材料

材料選擇是任何植入式醫療器材專案中最為關鍵的設計決策。所選材料必須滿足所需的機械性能，在器械於體內使用壽命期間保持其性能，並符合ISO 10993標準規定的生物安全性評估要求。

材料選擇概述

材料	課程	關鍵屬性	典型植入應用
鈦（Ti-6Al-4V）	金屬	抗拉強度 950 MPa，優異的疲勞壽命（>10⁷ 次循環），與 MRI 相容，低密度（4.5 g/cm³）	骨科植入物、心臟節律器外殼、脊椎融合器、牙根模擬物
鈷鉻合金（CoCrMo）	金屬	硬度高於鈦，關節面耐磨性較佳，擁有超過30年的臨床驗證歷史。	全髖關節及膝關節置換軸承面、心臟瓣膜組件
316L不銹鋼	金屬	強度高、耐腐蝕性好，成本低於鈦或鈷鉻合金，但與核磁共振的兼容性較差。	臨時固定裝置、手術器械、短期結構植入物
窺視	聚合物	彈性模量 3.6 GPa ≈ 皮質骨（3–30 GPa），透X線，耐高壓滅菌，化學性質穩定	脊椎椎間融合器、創傷固定板、植入式電子外殼
超高分子量聚乙烯	聚合物	卓越的耐磨性、低摩擦係數、抗衝擊性，已獲FDA 510(k)批准用於關節植入。	髖臼杯襯墊、脛骨托盤、全椎間盤置換髓核
矽膠（植入級）	彈性體	柔軟、靈活、化學性質穩定、生物相容性好，提供VI級和ISO 10993測試等級。	人工耳蝸組件、乳房植入物、分流閥、心律調節器導線絕緣層
ePTFE（戈爾特斯）	聚合物	微孔結構促進組織長入，具有良好的血液接觸生物相容性和抗扭結性。	血管移植物、疝氣修補網片、軟組織重建補片
氧化鋁/氧化鋯	陶瓷	硬度1,500–2,000 HV，體內磨損幾乎為零，無金屬離子釋放，不透射線	股骨頭組件、牙科基台、金屬過敏相關的軸承表面
羥基磷灰石（HA）	生物陶瓷	化學成分與天然骨礦物質相匹配，可促進骨整合，並可塗覆於金屬表面。	骨科植體塗層、牙科植體表面、骨缺損填充物
生物可吸收PLA/PLGA	聚合物	會在數月至數年內如預期降解，無需二次切除手術，並有助於骨骼癒合。	用於小骨折的固定螺絲、藥物洗脫支架、臨時結構支架

植入材料預認證遵循一定的層級結構。

• USP VI 級測試（三項體內反應性測試）建立基準。
• ISO 10993 評估根據接觸類型和持續時間，增加了細胞毒性、致敏性、植入性、血液相容性、遺傳毒性、慢性毒性和致癌性測試。
• 長期植入（>30 天）需要進行完整的生物學評估。

ISO 10993-1:2025 — 植入式醫療器材的關鍵更新

ISO 10993-1：2025 （第六版，2025年11月出版）引入了幾項與植入式設備製造商相關的變更：

• 擴大遺傳毒性要求： 所有與人體長時間（>24小時至30天）或長期（>30天）接觸的醫療器械，無論接觸部位如何，現在都需要進行遺傳毒性評估。這是2018版標準的擴充。
• 「可預見的濫用」評估： 製造商現在必須評估合理可預見的誤用所帶來的生物風險，而不僅僅是預期用途的風險。如果誤用可能延長接觸時間或改變接觸部位，則生物評估必須涵蓋這種情況。
• 重組後的風險敞口類別： 四個獨立的評估矩陣（取代了 2018 年版中的單一表 A.1）按接觸類型提供了更具體的指導——這與具有多個材料界面的複雜植入物相關。
• 基於生命週期的方法： 該標準現在明確地與 ISO 14971 風險管理在整個生物評估過程中保持一致，而不僅僅是在測試選擇階段。 ^[1]

已上市的醫療器材並非必須依照 ISO 10993-1:2025 標準進行新的測試。但是，製造商必須審查現有的生物評估計劃 (BEP)，並證明先前的評估仍然有效。如果發現任何不足之處——例如，長期暴露於器械缺乏遺傳毒性數據——則需要進行額外的測試。

表面處理和塗層

對於生物性能而言，表面狀態往往比材料本體成分更為重要。植入式醫療器材的關鍵表面處理包括：

• 鈦陽極氧化和噴砂處理： 形成粗糙、富含氧化物的表面，促進成骨細胞附著和骨組織長入。是無骨水泥骨科植入物的標準配備。
• 羥基磷灰石（HA）塗層： 在植體表面噴塗等離子噴塗的羥基磷灰石（HA）可模擬天然骨礦物質，加速骨整合。塗層的黏附強度和溶解速率必須經過驗證。
• 鈍化（不鏽鋼、鈷鉻合金）： 酸鈍化處理可去除表面遊離鐵並增厚鈍化氧化層，從而減少體內腐蝕離子的釋放。根據 ASTM F86 標準，不銹鋼植入物必須進行酸鈍化處理。
• 藥物洗脫包衣： 冠狀動脈支架上負載抗增殖劑（紫杉醇、西羅莫司）的聚合物基質需要驗證藥物釋放動力學、塗層黏附性和降解物。

製造植入式醫療器械

製造植入式設備不僅僅是高精度製造——它是一個完全有據可查、經過驗證的過程，其中每個生產參數都受到控制，每個偏差都會產生正式記錄。

精密數控加工

數控加工是鈦、鈷鉻合金和不銹鋼植入物零件的主要製造方法。它能夠實現關鍵特徵（例如骨接觸面、鎖緊螺絲接口和軸承幾何形狀）±0.005mm 或更嚴格的公差。多軸車銑複合加工中心可在一次裝夾中加工出複雜的脊椎植入物幾何形狀，從而消除重新裝夾引入的基準偏移誤差。

對陶瓷植入物零件（氧化鋁、氧化鋯）進行硬銑削需要使用鑽石刀具並控制進給速度，以避免表面檢測無法發現的亞表面裂縫。加工後的燒結和拋光處理可使陶瓷股骨頭表面粗糙度 Ra < 0.02 µm，這是獲得可接受的體內耐磨性能的必要條件。

→ 參見： 精密CNC加工能力

用於聚合物植入組件的注塑成型

醫用級射出成型製程可生產聚醚醚酮（PEEK）脊椎融合器、超高分子量聚乙烯（UHMWPE）軸承襯墊和矽橡膠零件。製程參數——料筒溫度、注射壓力、冷卻速率——必須經過驗證和控制，而不僅僅是設定值。結晶度的變化（對於半結晶PEEK）會直接影響機械剛度和疲勞性能。

無塵室注塑成型（ISO 7 或 ISO 8 環境）是植入級聚合物零件的標準製程。根據 ISO 13485 標準，材料批次可追溯性——從樹脂批次分析證書 (CoA) 到生產記錄再到成品零件——是強制性的文件要求。

→ 參見： 菲西森醫療注射成型

用於病患匹配植入物的積層製造

雷射粉末床熔融 (LPBF) 和電子束熔化 (EBM) 技術可生產具有與患者匹配的幾何形狀和設計孔隙率的鈦合金骨科植入物，以促進骨骼長入。內部晶格結構（這是減材加工無法實現的）可使植入物的模量與皮質骨相匹配，從而減少應力遮擋，避免傳統緻密金屬植入物周圍長期骨吸收。

與傳統製造的同類產品相比，積層製造植體的監管要求更為嚴格。粉末性能的一致性、建造方向和雷射參數都必須經過驗證，並提交給FDA。增材製造植入物的降解測試和無菌驗證策略需要根據具體情況諮詢FDA。 ^[3]

用於主動植入物的電子集成

有源植入物需要氣密封裝的電子元件。氣密封裝饋通－即玻璃-金屬或陶瓷-金屬密封的導電體－是最關鍵的製造元件。它必須保持氣密性，氦氣洩漏率低於 1×10⁻⁸ atm·cc/s，且能夠承受超過 10 年的體內使用、熱循環以及患者活動產生的機械振動。

針對人工植入式醫療器材（AIMD）的電池選擇和封裝，必須兼顧能量密度、循環壽命和濫用條件下的安全性。碘化鋰電池（用於不可充電式心臟起搏器）和鋰離子電池系統（用於可充電式神經刺激器）在密封性、熱性能和監管要求方面各有不同。

滅菌選擇與驗證

滅菌方法的選擇必須在材料最終定型之前完成，而不是之後。下表列出了常用滅菌方法與相容和不相容的植入材料。

選項	相容材料	不相容/警告	植入式醫療器材注意事項
環氧乙烷 (EtO)	大多數聚合物、電子材料	金屬、玻璃	低溫製程－適用於熱敏性塑膠。需通風12-24小時以去除環氧乙烷殘留物。已通過ISO 11135標準驗證。
伽瑪射線	金屬、陶瓷、聚乙烯、聚丙烯	聚氯乙烯（會變色），聚四氟乙烯（高劑量下會降解）	典型劑量為 25–50 kGy。可穿透緻密結構。提供適用於敏感聚合物的輻射穩定型產品。已通過 ISO 11137 驗證。
電子束	PP、PE、金屬	密集集合體（滲透性較低）	與伽馬射線類似，但速度更快。穿透力較弱－較適用於薄壁一次性醫療器材。無法有效滅菌厚重或複雜的植入物組件。
蒸汽高壓釜（121–134°C）	PEEK、PPSU、金屬、玻璃	PC（有限循環次數），大多數彈性體	可重複使用的外科器械和植入物，專為再次消毒而設計。 PEEK 和 PPSU 材質可經受反覆高壓滅菌循環而不發生性能退化。不可用於電子產品。
乾熱	金屬、玻璃、陶瓷	所有聚合物	在160–180°C下持續1–2小時。適用於耐熱金屬部件。不會滲透到複雜的組件內部—只能實現表面無菌。

所有植入式醫療器材的滅菌流程必須達到10⁻⁶的無菌保證水準 (SAL)，即每百萬個器械中非無菌器械少於一個，並需符合 ISO 11135（環氧乙烷滅菌）、ISO 11137（輻射滅菌）或 ISO 17665（蒸汽滅菌）標準。包裝必須在驗證的有效期內保持無菌狀態，大多數一次性植入器械的有效期限為5年。

植入式醫療器材特有的製造挑戰

植入式醫療器材製造中面臨的一些挑戰，在一般精密製造領域並無直接對應。理解這些挑戰對於制定研發計畫的設計團隊至關重要。

多材料組件的長期生物相容性

單一植入式醫療器材通常由金屬、聚合物、陶瓷和塗層緊密接觸而成。不同金屬之間的電偶腐蝕、塗層剝離釋放顆粒或聚合物降解釋放可溶出物，都可能產生在器械植入初期不存在的生物反應。

FDA明確指出 如果金屬支架的聚合物塗層可能會隨著時間推移而分離，那麼對整個裝置的測試可能無法完全反映其長期臨床性能——因此可能需要對有塗層和無塗層的支架進行生物相容性評估。 ^[3]

主動植入體的微型化極限

更小的主動植入體意味著更短的電池壽命、更低的遙測功率以及更嚴格的密封饋通公差。 AIMD 的每一個要素——電池化學成分、外殼幾何形狀、電極設計、遙測頻率——都涉及尺寸、性能和壽命之間的權衡。

熱管理是一個常被忽略的限制因素。 FDA要求對最大運轉條件下的熱輸出進行特性分析。

互聯主動植入物的網路安全

現代心臟起搏器、神經刺激器和胰島素幫浦的無線連接引入了早期設備所不具備的攻擊面。美國食品藥物管理局 (FDA) 於 2023 年發布的醫療器材網路安全指南要求製造商在設備整個生命週期內應對網路安全問題——從設計階段的威脅建模到現場軟體更新。

結語

植入式醫療器材在醫療器材產業中佔據著要求最高的領域——最高的監管等級、最廣泛的生物相容性評估、最嚴格的生產驗證，以及在每個植入單元的使用壽命期間持續存在的上市後義務。

設計階段所做的工程決策——材料選擇、製造流程、滅菌方法、密封方法——決定了設備的監管和臨床結果。

在植入物專案的早期階段，最有效的風險緩解措施是選擇一個既了解技術要求又了解監管文件框架的製造合作夥伴，並且該合作夥伴能夠根據 III 類申報所需的 Cpk 標準驗證其工藝。

參考文獻和權威來源

[1] ISO 10993-1:2025. 醫療器材的生物評估。 https://www.iso.org/standard/10993-1

[2] 美國食品藥物管理局。 “醫療器材監管概述。”  https://www.fda.gov/medical-devices/overview-device-regulation/classify-your-medical-device

[3] 美國食品藥物管理局。 「國際標準 ISO 10993-1 的應用，醫療器材的生物學評估」。 https://www.fda.gov/media/142959/download